DE2622915C2

DE2622915C2 - Optisch-holographische Speichereinrichtung

Info

Publication number: DE2622915C2
Application number: DE2622915A
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre St.Michel-sur-Orge Herriau; Jean Pierre Chatenay Malabry Huignard; Francois Gif-sur-Yvette Micheron
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-05-23
Filing date: 1976-05-21
Publication date: 1986-03-06
Also published as: JPS51144250A; JPS6018072B2; FR2312052B1; DE2622915A1; US4063795A; FR2312052A1; GB1545604A

Description

Die Erfindung betrifft eine optisch-holographische Speichereinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche optisch-holographische Speichereinrichtung ist aus der FR-OS 21 99 162 bekannt. Sie enthält eine Schicht aus einem elektrooptischen Material, das durch Photoanregung Ladungen freisetzt. Ferner kann in dem Material eine reversible räumliche Brechungsindexänderung durch gerichtete Verschiebung dieser Ladungen erzeugt werden. Die Materialschicht weist auf ihren kleinen Seiten, die zur Ladungsverschiebungsachse senkrecht sind, Elektroden auf, zwischen denen im Betrieb eine einstellbare elektrische Spannung angelegt wird, um die Stärke der Brechungsindexänderungen zu beeinflussen.

Lichtempfindliche, elektrooptische Materialien, insbesondere die ferroelektrischen Kristalle, sind für die dreidimensionale holographische Speicherung gut geeignet, denn in ihnen kann der Bragg'sche Effekt der Winkelselektivität ausgenutzt werden. Die Speicherung erfolgt, indem Unterhologramme in dem Kristall einander überlagert werden. Man erreicht so eine sehr hohe Speicherungsdichte.

Das Auslesen der Unterhclogramme erfolgt durch Beleuchtung mit einer kohärenten optischen Strahlung, beispielsweise mittels des Referenzbündels, das auch bei der Aufzeichnung verwendet wurde. Damit das Auslesen oder auch ein Einschreiben in einer benachbarten Zone nicht eine Löschung des eingeschriebenen Hologramms verursacht, darf die zuvor erzeugte räumliche

ίο Brechungsindexänderung durch die gleichförmige Bestrahlung mit dem Referenzbündel nicht wesentlich verändert werden.

Beim Einschreiben in derartige Materialien wird eine gleichmäßige Änderung des Brechungsindex in derjenigen Zone des Kristalls erzeugt, die den Interferenzen zwischen dem Objektbündel und dem Referenzbündel ausgesetzt ist, wobei sich die so erzeugte Brechungsindexänderung mit der bereits vorhandenen räumlichen Brechungsindexmodulation überlagert. Das entsprechende Löschungsverfahren besteht darin, der bei dem Einschreiben erzeugten räumlichen Brechungsindexmodulation eine phasenverschobene räumliche Brechungsindexänderung zu überlagern, deren Amplitude im vvesentlicnen gleich der der zuvor vorhandenen Brechungsindexmodulation ist, wobei diese beiden aufeinanderfolgenden Brechungsindexänderungen dann zu einem konstanten Wert des Brechungsindex in der gesamten so gelöschten Zone führen. Die gleichmäßige Brechungsindexänderung, die diesem erneuten Einschreiben entspricht, überlagert sich aber mit der bereits beim ersten Einschreiben erzeugten Brechungsindexänderung. Wenn nach einer gewissen Anzahl von Einschreib-Lösch-Zyklen der mittlere Brechungsindex des Materials seinen Maximalwert erreicht hat, ist dieses Material gesättigt, und weitere räumliche Brechungsindexänderungen können nicht mehr in ihm aufgezeichnet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die optisch-holographische Speichereinrichtung der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß eine Sättigung des elektrooptischen Materials vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen optisch-holographischen Speichereinrichtung ist jede elementare Einschreibzone elektrisch kurzgeschlossen, so daß bei der Beleuchtung dieser Zone während des Einschreibens das entlang der Ladungsverschiebungsachse gebildete elektrische Feld kurzgeschlossen wird. Die beim Einschreiben erzeugte räumliche Brechungsindexmodulation erfolgt daher stets ausgehend von demjenigen Wert des Brechungsindex, den das elektrooptische Material im unbeleuchteten Ausgangszustand besitzt. Eine stufenweise Erhöhung des Brechungsindex durch mehrere aufeinanderfolgende Einschreib-Lösch-Zyklen bis zum Sättigungswert des Brechungsindex wird daher vermieden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen optisch-holographischen Speichereinrichtung ist im Patentanspruch 4 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 die Brechungsindexänderung in dem Material in Abhängigkeit von dem in diesem Material erzeugten Feld,

Fig. 2 Kurven zur Erläuterung der Feld- und Brechungsindexänderungen nach Beleuchtung durch einen

Streifenraster und

F i g. 3 ein System nach der Erfindung z-y dreidimensionalen Speicherung.

Die Empfindlichkeit eines dotierten und reduzierten lichtempfindlichen elektrooptischen Materials gegenüber einer gleichmäßigen Beleuchtung ist von dem Reduktionsverhältnis des Kristalls abhängig.

Bei einem mit Eisen dotierten Lithiumniobatknstall ist diese Empfindlichkeit von dem Verhältnis des Fe³⁺-lonengehalts zu dem Fe²⁺-lonengehalt, der durch Reduktion erzielt wird, abhängig.

Die Materialien, die für die dreidimensionale Speicherung geeignet sind, sind somit Materialien mit asymmetrischem Zyklus, die man erhält indem man einen elektrooptischen Kristall stark dotiert und schwach reduziert, so daß er gute optische Eigenschaften behält.

Unter der Beleuchtung durch einen Interferenzstreifenraster kommt es zu einer orientierten Ladungsverschiebung, d. h. bei mit Eisen dotiertem Lithiumniobat zu einer Verschiebung von Fe²⁺-Ionen zu den Nb⁺⁵-Ionen. Das so erzeugte Raumladungsfeld moduliert durch den elektrooptischen Effekt den Brechungsindex des Materials. Wenn aber die Beleuchtung eine Gleichkomponente hat, kann die Lichtintensitätsverteilung in der Verschiebungsrichtung der Ladungen folgendermaßen angenommen werden:

/= /o(1 +/τ?Cos Kx)

wobei /0 die Gleichintensität, m der Modulationsfaktor und K=2*r/&\sl, wobei Ω die Teilung der Interferenzstreifen ist.

Diese Intensitätsverteilung erzeugt ein Raumladungsfeld mit derselben räumlichen Frequenz K wie die Lichtverteilung, wobei für dieses Feld E(x)gilt:

E(x) = E₀ + OE Cos (Kx + φ)

wobei Eq das durch die gleichmäßige Beleuchtung /0 gebildete Raumladungsfeld, ÖE die Amplitude des der räumlichen Intensitätsänderung entsprechenden Wechselfeldes und φ die eventuelle Verschiebung, in Richtung der Ladungsverschiebungsachse C, des Raumladungsfeldes gegenüber der Lichtintensitätsverteilung ist.

Die durch Licht erzeugte Spannung, die an den Klemmen der Einschreibzone in der Richtung der Achse C des Kristalls auftritt, ist

V = J Ε(χ)άχ= E₀L,

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wobei L die Länge der Zone ist. Diese Spannung entspricht einer mittleren Brechungsindexänderung, die ungleich Null ist.

Die meisten dotierten und reduzierten ferroelektrischen Materialien, die bei einer Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur benutzt werden, haben eine in Abhängigkeit von dem in dem Material erzeugten elektrischen Feld induzierte Doppelbrechungseigenschafl, die bis zu einem Wert n_s linear ist, welcher dem Sättigungsbrechungsindex des Materials entspricht. Eine sol- eo ehe Eigenschaft ist in F i g. 1 dargestellt.

Wenn zum Löschen der ersten Eintragung um ,τ verschobene Interferenzstreifen in derselben Zone erzeugt werden, heben sich die Raumladungswechselfelder zwar auf, das der mittleren Beleuchtung entsprechende e>5 Gleichfeld nimmt jedoch zu.

Diese Erscheinungen sind in F i g. 2 dargestellt. Die Kurve (a) zeigt das bei dem ersten Einschreiben erzeugte-Raumladungsfeld und die Kurve (b) die entsprechende Brechungsindexänderung, deren Mitte bei dem Mittelwert n\ liegt Die Kurve (c) zeigt in gestrichelter Linie das Raumladungsfeld, das erzeugt würde, wenn es sich um ein erstes Einschreiben handeln würde, und in ausgezogener Linie den Wert £2 = 2 E\, der dem resultierenden Gleichfeld entspricht.

Der resultierende Brechungssindex ist konstant, aber gleich Π2, Kurve (d). Wenn dagegen die Einschreibzone in Richtung derselben Achse (f kurzgeschlossen wird, bildet sich das Raumladungsfeld, das durch Licht induziert werden kann, um eine mittlere Komponente Null herum aus, um die Bedingung an den Grenzen zu erfüllen, die durch den Kurzschluß und durch die Potentialdifferenz in dieser Zone auferlegt sind:

U = \ Ε(χ)άχ = 0

Für dieses Feld gilt somit E= OE Cos (Kx+φ), mit denselben Bezeichnungen wie zuvor.

Unter diesen Bedingungen bildet sich die durch Licht induzierte Modulation des Brechungsindex um den normalen Brechungsindex des Materials herum aus. Bei einem neuen, um -τ phasenverschobenen Einschreiben bildet sich das Raumladungsfeld um Null herum aus und hebt das zuvor erzeugte Ladungsfeld genau auf.

Das Material erhält somit wieder seinen normalen Brechungsindex no.

Die Anzahl von Einschreib-Lösch-Zyklen ist somit nicht mehr durch den Sättigungsbrechungsindex des Materials begrenzt, der sich zuvor durch Zunahme des Gleichfeldes ergab.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform des Systems nach der Erfindung zur dreidimensionalen Speicherung.

Da die Brechungsindexänderungen in Richtung der Achse Cdes Kristalls durch Licht induziert werden, ist es, wenn diese Achse parallel zu der großen Fläche des Kristalls ist. schwierig, die Einschreibelementarzonen in dieser Fläche kurzzuschließen. Die kristallographische Achse des als für die Einrichtung nach der Erfindung geeignetes Aufzeichnungsmaterial verwendeten Kristalls ist folglich senkrecht zu seiner großen Fläche angeordnet.

Auf den großen Flächen des Kristalls 1 sind zwei lichtdurchlässige Elektroden 2 und 3 angeordnet, die durch einen leitenden Draht 4 miteinander verbunden sind. Die Einschreibelementarzonen haben als Längsabmessung die Dicke e des Kristalls, wobei die in dem Kristall erzeugten Interferenzstreifen senkrecht zu der Achse Csind. Es ist bekannt, daß die Doppelbrechungswirkung maximal ist, wenn die Winkelhalbierende des durch die optischen Achsen des Objektbündels und des Referenzbündels gebildeten Winkels im wesentlichen senkrecht zu der Kristallachse ist. Diese Bedingung kann zwar nicht erfüllt werden, sie wird aber angenähert erfüllt, indem der durch diese Winkelhalbierende und die großen Flächen des Kristalls gebildete Winkel klein gemacht wird. In F i g. 3 sendet eine Laserquelle L eine Lichtstrahlung aus. Ein Teil dieser Strahlung, der das Objektbündel bildet, durchquert eine halbreflektierende Schicht oder Platte 5 und beleuchtet dann die Objektebene 6, während der andere Teil durch die Schicht 5 zu einem Spiegel 7 reflektiert wird. Die so reflektierte Strahlung durchquert einen Phasenschieber 8, der zwei Positionen 0 und .τ hat, und das so erhaltene Referenzbündel wird mit Hilfe einer Ablenkeinrichtung 9 passend ausgerichtet. In F i g. 3 sind lediglich die optischen Achsen des Objektbündels und des Referenzbün-

dels dargestellt, wobei die Winkelhalbierende des so gebildeten Winkels eine große Komponente parallel zu den großen Flächen des Kristalls und eine kleine Komponente in Richtung der Kristallachse Chat.

Das Einschreiben erfolgt in herkömmlicher Weise durch Erzeugung eines Raumladungsfeldes. Da aber, wie oben angegeben, die beiden großen Flächen kurzgeschlossen sind, wird an den Grenzen der Einschreibzone kein Feld gebildet und die Brechungsindexmodulation erfolgt um den Brechungsindexwert /7₀ des unbeleuchteten Materials herum.

Für das Löschen, wobei die Objektebene dieselbe ist, wird das Referenzbündel mittels des Phasenschiebers 8 um π phasenverschoben, wobei der Einfallswinkel des Referenzbündels ungeändert bleibt. Der Streifenraster erzeugt ein Raumladungsfeld, das dem vorhergehenden entgegengesetzt ist und eine Brechungsindexmodulation um denselben Mittelwert /7o herum induziert, die der vorhergehenden entgegengesetzt ist.

Dieses zweite Einschreiben hebt somit genau die Wirkungen des ersten auf.

In herkömmlicher Weise kann der Phasenschieber, der auf dem Weg des Referenzbündels angeordnet ist, ebenso gut auf dem Weg des Objektbündels angeordnet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisch-holographische Speichereinrichtung mit einem elektrooptischen Material, das durch Photoanregung Ladungen freisetzt und in dem eine reversible räumliche Brechungsindexänderung durch gerichtete Verschiebung dieser Ladungen erzeugt werden kann, wobei die Einschreibelementarzone der Speichereinrichtung an ihren zur Ladungsverschiebungsachse senkrechten Oberfläche Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2,3) elektrisch kurzgeschlossen sind.

2. Speichereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) auf den großen Flächen einer Schicht des elektrooptischen Materials aufgebracht sind und daß die Ladungsverschiebungsachse parallel zur Schichtdicke (e) verläuft.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Material ein Lithiumniobatkristall ist, der stark mit Eisen dotiert ist, und daß die Ladungsverschiebungsachse mit der Kristallachse fQdes Kristalls übereinstimmt.

4. Vorrichtung einer optisch-holographischen Speichereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem optischen System zur dreidimensionalen Speicherung, das eine Quelle (L) kohärenter Strahlung, einen Strahlteiler (5), der die Strahlung in ein Objektbünde! und in ein Referenzbündel aufteilt, eine das Objektbündel optisch modulierende Einrichtung (6), eine die Orientierung des Referenzbündels herstellende Einrichtung (7) und eine Einrichtung (8) zur Phasenverschiebung des Referenzbündels enthält, wobei die Phasenverschiebung bei einer ersten Brechungshdexmodulation Null und bei einer zweiten Brechungsindexmodulation, die die erste auslöscht, gleich π ist, und wobei die Überlagerung des modulierten Objektbündels und des Referenzbündels in der elektrisch kurzgeschlossenen Einschreibelementarzone der Speichereinrichtung zwischen den Elektroden (2,3) erfolgt.